O princípio da propagação retilínea da luz ensina que a luz propaga-se em linha reta nos meios transparentes e homogêneos. A atmosfera, porém, não é um meio homogêneo, pois apresenta uma densidade tanto menor quanto maior a altitude. Consequentemente, quanto maior a altitude, menor é o índice de refração do ar. Então, a trajetória de um raio de luz na atmosfera é, em geral, curvilínea. Essa curvatura do raio de luz provoca muitos efeitos. Um deles é alteração da posição aparente dos astros, principalmente quando eles estão próximos do horizonte. Por exemplo, no pôr-do-sol, o Sol já se encontra atrás do horizonte, mas continua a ser visto devido à curvatura dos raios de luz.
A temperatura junto ao solo pode determinar a ocorrência dos interessantes fenômenos das miragens. Quando a temperatura do solo torna-se muito elevada, o ar aquecido junto ao solo torna-se menos denso e, consequentemente, menos refringente que o ar que se encontra um pouco mais acima. Por causa disso, um raio de luz que desce obliquamente de encontro ao solo pode sofrer reflexão total antes de atingi-lo.
Isso explica o fenômeno das miragens, tão comuns nos desertos. Pelo mesmo motivo a impressão de que as estradas asfaltadas estão molhadas em dias quentes e ensolarados, quando observadas de posições convenientes. Por outro lado, pode ocorrer que a temperatura do solo fique tão baixa que o ar junto dele torne-se mais denso e mais refringente que o ar situado acima. Nesse caso, os raios de luz que partem do objeto e sobem obliquamente, sofrem reflexão total nas camadas superiores, menos refringentes. O observador vê a imagem do objeto "pairando" no ar, e invertida.
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